REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHECHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DE BATNA
FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR
DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE
MEMOIRE
Présenté Pour L’obtention Du Diplôme
De Magister En Microélectronique
Option : IC Design
Par : Abdelmadjid MIHOUBI
Ingénieur, département d’électronique-Université de Batna
THEME
Conception d’un convertisseur analogique numérique
Sigma Delta du 1er ordre à 12 bits
Devant le jury constitué de :
Dr. HOBAR Farida Prof. Université de Constantine Président
Dr. BOUGUECHAL Nour-Eddine Prof. Université de Batna Rapporteur
Dr. MANK Otto Prof. Université de Berlin Rapporteur
Dr. DIBI Zohir M.C. Université de Batna Examinateur
Dr. OUNISSI Abdelhamid M.C. Université de Batna Examinateur
Dr. HAFDI Zoubida M.C. Université de Batna Examinateur

Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier le professeur
Nour Eddine Bouguechal
, le doyen de la
faculté des sciences de l’ingénieur à l’université de Batna. Pour son travail d’encadrement,
ses conseils, et pour qu’il m’a été permis de savoir tout prés la conception réelle dans
l’industrie électronique. Je lui suis très reconnaissant pour ses qualités rares tant au niveau
humain que scientifique que j’ai pu entrevoir dans les déplacements que nous avons été
amenés à effectuer ensemble. Je lui dois les remerciements les plus sincères.
Je tiens particulièrement à remercier Mr.
Otto Manck
, directeur général de la société
MAZ, et professeur à l’université technique de Berlin en Allemagne, où nous avons effectué
une grande partie de ce travail, pour la confiance qu’il m’a témoignée en m’accueillant dans
son équipe à Berlin et pour ce captivant sujet de recherche proposé.
J’adresse tous mes remerciements à Monsieur
Carsten Leitner
, ingénieur à la société
MAZ, pour m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche et sa patiente relecture du
manuscrit et ses qualités pédagogiques que j’apprécie beaucoup. Son soutient constants sur
les plans scientifiques et humains aura été une aide particulièrement précieuse.
Mes vifs remercîments à Mme,
Farida Hobar
, professeur à l’université de Constantine,
pour avoir accepté de présider le jury et à bien voulu prendre le temps de s’intéresser au sujet
du présent mémoire.
De même à Mr.
Zohir Dibi
, docteur et chef du département d’électronique de
l’université de Batna, pour m’avoir honoré par sa présence au jury.
Je tiens à remercier vivement Mr.
Abdelhamid Ounissi
, docteur et chargé de cours au
département d’électronique à l’université de Batna pour l’honneur qu’il me fait en figurant
dans la composition du jury.
Et je tiens aussi à remercier vivement Mme.
Hafdi Zoubida
, docteur et chargé de cours
au département d’électronique à l’université de Batna pour l’honneur qu’il me fait en
figurant dans la composition du jury.
Un grand merci à ma petite famille, à ma grande famille et à tous les collègues du
laboratoire de l’électronique avancée à Batna pour leur dynamique.
Je ne pourrai jamais trouver les mots justes pour exprimer mes sentiments pour mes
parents. Je veux les remercier pour sont soutien, ses sacrifices, la patience, la volonté et la
persévérance qui m’ont permis de mener ce travail.
Mr Abdelmadjid MIHOUBI

Table des matières
Introduction générale.......................... 3
1 Caractéristiques d’un convertisseur analogique numérique 5
1.1 Définition d’un convertisseur analogique numérique ........ 5
1.2 Principedelaconversionanalogiquenumérique.......... 6
1.2.1 L’échantillonnage: ...................... 7
1.2.2 La quantification : ...................... 7
1.3 Caractéristiques d’un convertisseur analogique numérique (CAN) : 8
1.3.1 Caractéristique de transfert d’un CAN : . . ........ 8
1.3.2 Résolution:.......................... 9
1.3.3 Erreur de quantification : ................... 9
1.3.4 Tensionderéférence:..................... 10
1.3.5 Tempsdeconversions:.................... 10
1.3.6 Lerapportsignalsurbruit(SNR): ............. 10
1.4 Erreur de convertisseur analogique numérique : . . . ........ 10
1.4.1 Erreur d’oset:........................ 10
1.4.2 Erreurdegain:........................ 11
1.4.3 Erreur de non linéarité diérentielle(NLD):........ 12
1.4.4 Erreurdenonlinéaritéintégrale(NLI): .......... 12
1.4.5 Erreurtotal: ......................... 13
1.4.6 Erreurdemonotonicité:................... 13
1.4.7 Erreurdecodemanquant:.................. 13
2Lesdiérents types de convertisseurs 14
2.1 ConvertisseurA/Nàintégrationoupériodique:.......... 14
2.1.1 Convertisseur A/N à simple rampe : ............ 15
2.1.2 Convertisseur A/N à double rampe : ............ 16
2.2 Convertisseur D@Q àrapiditémoyenne: .............. 17
2.2.1 Convertisseur D@Q à approximations successives : . . . . . 17
2.3 Convertisseur D@Q rapide: ..................... 19
2.3.1 Convertisseur A/N flash : .................. 19
2.3.2 Convertisseur Pipeline : ................... 20
2.4 Convertisseurs à sur-échantillonnage : . . . ............. 21
2.4.1 Sur-échantillonnage : . . ................... 21
2.4.2 Eet de sur-échantillonnage sur le bruit de quantification : 22
2.4.3 Lemodulateur:........................ 23
1

TABLE DES MATIÈRES 2
3 Conception et simulation 29
3.1 spécificationsdesperformances ................... 29
3.2 Principe: ............................... 30
3.3 Laformulationmathématiquedefonctionnement ......... 31
3.4 Simulationsynoptique ........................ 36
3.5 Conceptiondelapartieanalogique:................. 37
3.5.1 Convertisseur tension courant : . . ............. 37
3.6 Résultatetsimulation:........................ 43
3.6.1 L’amplificateur opérationnel en Boucle ouverte : . . . . . . 43
3.6.2 L’amplificateur opérationnel en Boucle fermé : ....... 48
3.6.3 Analysetransitoire: ..................... 52
3.7 Lecomparateur: ........................... 62
3.8 Lapartienumérique:......................... 64
3.9 Circuit global du FDQ SigmaDelta ................ 66
Conclusion générale. ...........................76

Introduction générale3
Introduction général e
Le domaine de la microélectronique a connu un développement technolo-
gique d’une façon exponentielle ces dernières années. L’intégration de plus en
plus élevés sur une seule puce des systèmes électronique réalisés auparavant sous
forme de cartes. D’où la microélectronique représente un pilier des activités in-
dustrielles. Grâce au développement conjoint de la conception des circuits, du
développement de la technologie et des techniques avancées de caractérisations
lescircuitsintégrésdeviennenttoujourspluspuissant,rapidesetfonctionnels.
Avec se fantastique développement du domaine de la microélectronique liées
au marché de l’industriel, de plus en plus de circuits, comportent des blocs ana-
logiques intégrés sur la même puce que les blocs numériques. Actuellement, ces
circuits, appelés circuits mixtes, sont le plus souvent de véritables systèmes sur
puce (VrF, pour "Systems-on-Chip").
Durant ces dernières années, beaucoup d’eorts ont été consacrés à la réduc-
tion de la tension d’alimentation et à la réduction de la consommation de ces
systèmes. Cela est dû principalement à la croissance de l’utilisation des systèmes
portables alimentés par des batteries, mais provient aussi de la réduction de la
taille des circuits intégrés. Les conséquences de ces réductions sont diérentes
selon la nature des circuits.
D’une part, les circuits intégrés numériques à basse tension d’alimentation et
à faible consommation, peuvent facilement atteindre des qualités excellentes du
point de vue fonctionnement.
D’autre part, les circuits intégrés analogiques à basse tension d’alimentation
et à faible consommation avec de bonnes fonctionnalités sont très di!ciles à
réaliser. Par ailleurs, les circuits intégrés analogiques ne peuvent pas être conçu
en utilisant des tailles minimales des transistors, pour des raisons de fonctionne-
ment. Donc la surface de la partie analogique ne peut pas être réduite précisément
avec la minimisation des tailles des fonctions à réaliser.
La nécessité des circuits analogiques reste assez importante, car le monde
réel étant analogique, d’autre part ces circuits peuvent réaliser des fonctions à
haute fréquence contrairement aux circuits numériques, par contre ces circuits
qui ne peuvent pas être remplacés par des circuits numérique, pose un grand
problème pour la conception des système à basse tension d’alimentation et à
faible consommation.
Pour faire l’opération de passage du monde analogique au monde numérique,
il nous faut un système mixte qui relie les deux mondes, c’est le convertisseur
analogique numérique qui est capable de faire cette opération.